基于改进DenseNet的田间杂草识别

精确、快速地获取作物和杂草的类别信息是实现自动化除草作业的重要前提。为解决复杂环境下农作物田间杂草种类的高效准确识别问题，该研究提出一种基于改进DenseNet的杂草识别模型。首先，在DenseNet-121网络的基础上，通过在每个卷积层后引入ECA（Efficient Channel Attention）注意力机制，增加重要特征的权重，强化杂草特征并抑制背景特征；其次，通过DropBlock正则化随机隐藏杂草图像部分特征块，以提升模型的泛化能力，增强模型识别不同类型杂草的适应性；最后，以自然环境下玉米幼苗和6类伴生杂草作为样本，在相同试验条件下与VGG-16、ResNet-50和未改进的DenseNet-121模型进行对比试验。结果表明，改进的DenseNet模型性能最优，模型大小为26.55 MB，单张图像耗时0.23 s，平均识别准确率达到98.63%，较改进前模型的平均识别准确率提高了2.09%，且综合性能显著高于VGG-16、ResNet-50模型；同时，通过采用CAM（Class Activation Mapping）可视化热度图方法分析，得出改进前后模型的类别判断概率分别为0.68和0.98，本文模型明显高于未改进模型，进一步验证了改进模型的有效性。该模型能够很好地解决复杂环境下农作物和杂草的种类精准识别问题，为智能除草机器人开发奠定了坚实的技术基础。     

基于空间金字塔池化和深度卷积神经网络的作物害虫识别

为了减少因作物害虫姿态多样性和尺度多样性导致其识别精度相对较低的问题,该文将空间金字塔池化与改进的YOLOv3深度卷积神经网络相结合,提出了一种基于空间金字塔池化的深度卷积神经网络农作物害虫种类识别算法,首先对测试图像上的害虫进行检测定位,然后对检测定位出的害虫进行种类识别。通过改进YOLOv3的网络结构,采用上采样与卷积操作相结合的方法实现反卷积,使算法能够有效地检测到图片中体型较小的作物害虫样本;通过对采集到的实际场景下20类害虫进行识别测试,识别精度均值可达到88.07%。试验结果表明,本文提出的识别算法能够有效地对作物害虫进行检测和种类识别。     

改进MobileViT网络识别轻量化田间杂草

为解决现有的田间杂草识别方法无法兼顾高准确率与实时性的问题,该研究提出了一种基于改进MobileViT网络的轻量化杂草识别方法。首先,该方法使用高效的MobileViT网络构建杂草特征提取网络,在保证特征提取能力的同时实现更少的模型参数量与计算量;其次,通过高效通道注意力机制加强下采样后特征图中的重要特征,进一步提升模型的特征提取能力;最后,特征提取网络中的MobileViT模块被用于同时学习局部语义信息和全局语义信息,仅通过少量模块的组合便能够准确地捕捉到不同类别杂草与作物间细微差异。为验证该方法的有效性,该研究以农田环境下采集的玉米幼苗及其4类伴生杂草图像为数据进行了模型训练,试验结果表明,该方法的识别准确率、精准度、召回率和F1分数分别为99.61%、99.60%、99.58%和99.59%,优于VGG-16、ResNet-50、DenseNet-161、MobileNetv2等常用卷积神经网络;同时,可视化结果表明该方法能够有效提取杂草图像中的关键特征,并抑制背景区域对识别结果的影响。该研究提出的方法能够精准、快速地区分出农田环境下形态相似的多种杂草与作物,可为智能除草设备中的杂草识别系统设计提供参考。     

基于低场核磁成像的银杏胚检测及分类

银杏胚的有无及发育状况直接影响播种后的发芽率,而这些无法人工检测。该研究基于低场核磁共振成像（Low-field Magnetic Resonance Imaging,LF-MRI）技术,结合深度学习,探索研究银杏种子内部缺陷检测方法。设计了一种基于改进的VGG-16迁移学习图像分类方法,在利用VGG-16卷积层对数据集进行迁移学习时,对模型的学习率、模型结构和归一化3个方面进行改进,比较研究调整初始学习率与更新周期、将全连接层替换为全局卷积层或全局平均池化层并扩展8种微调模型、添加3种归一化层对模型性能的影响。结果表明,全局平均池化层调用方便,能够替代全连接层融合深度特征,提升模型性能;分类输出层置于全局平均池化层后的分类效果较好;组归一化能提升模型性能,并使验证曲线收敛更稳定;学习率对迁移学习模型性能影响极大,使用分段常数衰减策略针对具体应用可有效提高模型性能。相比较VGG-16,该研究构建的基于VGG-Net的银杏种子MR图像识别模型（Ginkgo seed low-field MR images recognition model based on VGG-Net, GV）大小降低89%,参数量降低89%,训练时间减少64%,训练集与验证集损失分别降低64%与45%、准确率分别提高2.4与2.5个百分点,对正常、孔洞、有胚和无胚4个类别的银杏种子平均分类准确率达到97.40%。研究结果为无损监测银杏种子萌发过程、合理预测种子播种后的发芽率提供了思路。     

基于深度学习与图像处理的哈密瓜表面缺陷检测

针对传统人工检测哈密瓜表面缺陷效率低等问题,提出利用卷积神经网络(Convolutional Neural Networks, CNN)对哈密瓜表面缺陷进行快速检测。对原始图像进行主成分分析(Principal Components Analysis,PCA)、奇异值分解(Singular Value Decomposition, SVD)和二值化等预处理操作,通过数据扩充得到正常、霉菌、晒伤和裂纹的哈密瓜图像各2 500幅。构建一种改进的类似VGG卷积神经网络模型,将预处理后的图像输入模型,并使用随机梯度下降(StochasticGradient Descent,SGD)优化器进行算法优化,为探究CNN模型的特征提取原理,将改进的类似VGG模型每层卷积的特征进行可视化,最后利用开发的哈密瓜表面缺陷检测软件对模型进行试验验证。研究结果表明:图像预处理算法提高了模型的鲁棒性和泛化能力,改进的类似VGG模型优于Alex Net和VGG-16模型,其训练集和测试集准确率分别为100.00%和97.14%;对比预处理前后4类哈密瓜卷积特征可视化结果表明,随着卷积层层数的增加,哈密瓜表面缺陷特征越来越明显,图像预处理后卷积层特征提取效果优于原始图像提取效果。软件测试结果表明:静态下哈密瓜缺陷检测速率达到0.7 s/幅,识别准确率达到93.50%。研究结果可为哈密瓜表面缺陷在线检测技术提供理论依据和技术参考。     

基于TMU-Net网络的苹果果心分割方法

针对苹果内在品质检测过程中传统测量果心大小方法效率低、准确性差等问题,该研究提出一种基于TMU-Net网络自动分割果心的方法,将Transformer编码器融入U-Net网络结构中,构建改进U型卷积网络TMU-Net模型。模型由特征提取模块、特征处理模块、解码器、特征拼接模块组成,以VGG-16前13层作为主干特征提取网络,在跳跃连接中叠加多重残差空洞卷积（Multiple Residual Dilated Convolution,MRDC）模块,增大感受野的同时增强了模型对底层特征提取能力。采用数据增强技术对果心数据集扩充后,利用迁移学习方法冻结特定的网络层,对TMU-Net模型进行训练。试验结果表明：引入迁移学习并使用最佳训练方式使模型分割精确率提高了22.48个百分点;TMU-Net网络模型在果心分割任务中实现了96.72%的精确率,与U-Net、PSPNet、DeeplabV3+网络对比,精确率分别提升了14.28、9.98、7.15个百分点。该方法能够精准、有效地实现果心分割,可为实现苹果内在品质智能检测提供参考。     

基于轻量型残差网络的自然场景水稻害虫识别

准确识别水稻害虫对水稻及时采取防护和治理措施具有重要意义,该研究以自然场景中水稻害虫图像为研究对象,针对水稻害虫图像的颜色纹理与背景相近以及同类害虫形态差异较大等特点,设计了一个由特征提取、全局优化以及局部优化模块构成的轻量型残差网络（Light Weight Residual Network,LW-ResNet）用于水稻害虫识别。在特征提取模块通过增加卷积层数以及分支数对残差块进行改进,有效提取自然场景中水稻害虫图像的深层全局特征并使用全局优化模块进行优化;局部优化模块通过设计轻量型注意力子模块关注害虫的局部判别性特征。LW-ResNet网络在特征提取模块减少了残差块的数量,在注意力子模块中采用深度可分离卷积减少了浮点运算量,从而实现了模型的轻量化。试验结果表明,所设计的LW-ResNet网络在13类水稻害虫图像的测试数据集上达到了92.5%的识别准确率,高于VGG16、ResNet、AlexNet等经典卷积神经网络模型,并且LW-ResNet网络的参数量仅为1.62×106个,浮点运算量仅为0.34×109次,低于MobileNetV3轻量级卷积神经网络模型。该研究成果可用于移动端水稻害虫的自动识别。     

基于改进空洞卷积神经网络的丘陵山区田间道路场景识别

基于机器视觉的自主导航是智能农业机械的主要导航方式之一。丘陵山区复杂的田间道路场景,使得智能农机在田间道路上的自主导航与避障存在较大的困难。该文根据丘陵山区田间道路图像特征,将田间道路场景对象分为背景、道路、行人、植被、天空、建筑、牲畜、障碍、水塘、土壤和杆等11类,构建了基于空洞卷积神经网络的田间道路场景图像语义分割模型。该模型包括前端模块和上下文模块,前端模块为VGG-16融合空洞卷积的改进结构,上下文模块为不同膨胀系数空洞卷积层的级联,采用两阶段训练方法进行训练。利用CAFFE深度学习框架将改进的网络模型与经典的FCN-8s网络模型进行了对比测试,并进行了道路阴影的适应性测试。语义分割测试结果表明:Front-end+Large网络的统计像素准确率、类别平均准确率以及平均区域重合度都最高,而FCN-8s网络最低;Front-end+Large网络在无阴影道路训练集和有阴影道路训练集上的平均区域重合度分别为73.4%和73.2%,对阴影干扰有良好的适应性。该文实现了丘陵山区田间道路场景像素级的预测,能为智能农业机械在田间道路上基于机器视觉的自主导航和避障奠定基础。     

基于改进VGG-19卷积神经网络的冰鲜鲳鱼新鲜度评估方法

保障冰鲜水产品的质量安全是提升水产行业供求效益的关键环节之一。传统的水产品新鲜度检测方法存在破坏样本、操作复杂、检测效率低等问题,冷链储运的发展急需一种快速、准确的鱼肉新鲜度检测技术。该研究以冰鲜鲳鱼为研究对象,提出基于计算机视觉的鲳鱼新鲜度评估方法,为鱼肉冷链储运系统智能化发展提供技术支持。首先,建立冰鲜鲳鱼新鲜度等级图像数据集。其次,针对数据集规模小的问题,结合迁移学习方法训练基于卷积神经网络CNN（Convolutional Neural Network）提高模型的泛化能力,并选择试验效果较优的VGG-19（Visual Geometry Group 19）为分类算法主模型。最后,针对VGG-19分类网络结构复杂的问题,优化全连接层数量及结构,该优化模型的鲳鱼新鲜度识别准确率可达99.79%,与优化全连接层前相比准确率提升了1.05个百分点,全连接层参数量降低了97%,占空间降低了443.9 MB,时间效率、空间效率也均有提升。此外,为进一步说明模型对鲳鱼新鲜度等级的判定依据,该研究利用类激活映射方法对鲳鱼新鲜度分级结果进行可视化,试验表明鲳鱼腹部特征是对新鲜度分级最有效的信息,研究结果为构建基于深度卷积神经网络的鱼肉新鲜度分级模型提供参考。     

基于迁移学习的葡萄叶片病害识别及移动端应用

为解决已有的卷积神经网络在小样本葡萄病害叶片识别的问题中出现的收敛速度慢,易产生过拟合现象等问题,提出了一种葡萄叶片病害识别模型(Grape-VGG-16,GV),并针对该模型提出基于迁移学习的模型训练方式。将VGG-16网络在ImageNet图像数据集上学习的知识迁移到本模型中,并设计全新的全连接层。对收集到的葡萄叶片图像使用数据增强技术扩充数据集。基于扩充前后的数据集,对全新学习、训练全连接层的迁移学习、训练最后一个卷积层和全连接层的迁移学习3种学习方式进行了试验。试验结果表明,1)迁移学习的2种训练方式相比于全新学习准确率增加了10～13个百分点,并在仅训练25轮达到收敛,该方法有效提升了模型分类性能,缩短模型的收敛时间;2)数据扩充有助于增加数据的多样性,并随着训练次数的增加,训练与测试准确率同步上升,有效缓解了过拟合现象。在迁移学习结合数据扩充的方式下,所构建的葡萄叶片病害识别模型(GV)对葡萄叶片病害的识别准确率能达到96.48%,对健康叶、褐斑病、轮斑病和黑腐病的识别准确率分别达到98.04%、98.04%、95.83%和94.00%。最后,将最终的研究模型部署到移动端,实现了田间葡萄叶片病害的智能检测,为葡萄病害的智能诊断提供参考。     

利用显著图构建注意力深度网络检测诱虫板蔬菜害虫

为提高诱虫板图像蔬菜害虫检测精度,针对背景区域容易导致误检的问题基于显著图分析技术构建了一种注意力深度网络害虫智能视觉检测方法。首先通过显著图筛选出粗候选区域;然后在粗候选区域内用全卷积神经网络精选出细候选区域;接着用神经网络分类器识别细候选区域害虫种类,得到含有冗余的若干检测框;最后用改进的非极大值抑制消除冗余检测框,实现诱虫板图像中目标害虫的检测。针对小菜蛾和瓜实蝇展开试验,获得86.4%的平均精度均值和0.111只的平均绝对计数误差均值,所提方法平均精度均值比Faster R-CNN和YOLOv4分别高2.74和1.56个百分点,平均绝对计数误差均值比Faster R-CNN和YOLOv4分别低0.006和0.003只;同时,消融试验中移除显著图注意力模块后平均精度均值下降了4个百分点、平均绝对计数误差均值增加了0.207只。试验结果表明,所提方法有效提高了诱虫板图像蔬菜害虫检测精度,其中,引入显著图注意力模块对提升检测精度有重要作用。     

基于迁移学习的棉花叶部病虫害图像识别

针对传统图像识别方法准确率低、手工提取特征等问题,该研究以棉花叶部病虫害图像为研究对象,利用迁移学习算法并辅以数据增强技术,实现棉花叶部病虫害图像准确分类。首先改进AlexNet模型,利用PlantVillage大数据集训练取得预训练模型,在预训练模型上使用棉花病虫害数据微调参数,得到平均测试准确率为93.50%;然后使用数据增强技术扩充原始数据集,在预训练模型上再训练,得到最终平均测试准确率为97.16%。相同试验条件下,该研究方法较支持向量机(Support Vector Machine,SVM)和BP(Back Propagation,BP)神经网络以及深度卷积模型(VGG-19和GoogLeNet Inception v2)分类效果更好。试验结果表明,通过迁移学习能把从源领域(PlantVillage数据集)学习到的知识迁移到目标领域(棉花病虫害数据集),数据增强技术能有效缓解过拟合。该研究为农作物病虫害识别技术的发展提供了参考。     

基于图像显著性分析与卷积神经网络的茶园害虫定位与识别

为实现在茶园环境中快速、准确地识别害虫目标,该文提出了一种基于卷积神经网络的深度学习模型来进行害虫定位和识别的方法。该文通过对整个图像进行颜色衰减加速运算,结合超像素区域之间的空间影响,计算各个超区域的显著性值,进而提供害虫目标的潜在区域,最终结合Grab Cut算法进行害虫目标的定位和分割。对于分割后的害虫目标,通过优化后的卷积神经网络进行表达和分类,并进一步对卷积神经网络的结构进行了约减。通过对23种茶园主要害虫的识别,试验结果表明,识别准确率在优化前后分别为0.915和0.881,优化后的模型内存需求和运行耗时分别降低至6 MB和0.7 ms,取得了较好的识别效果。     

基于改进DenseNet和迁移学习的荷叶病虫害识别模型

病虫害的发生将会严重影响莲藕品质与产量,开展病害诊断与识别对藕田病虫害及时对症对病诊治、提升莲藕生产质量与经济效益具有重要意义。该研究以荷叶病虫害高效、准确识别为目标,提出了一种基于改进DenseNet和迁移学习的荷叶病虫害识别模型。采用分支结构对模型的浅层特征提取模块进行改进,并在Dense Block与Transition Layer中引入Squeeze and Excitation注意力机制模块和锐化的余弦卷积,最后基于Plantvillage数据集进行迁移学习,实现了91.34%的识别准确率。该研究实现了对荷叶腐败病、病毒病、斜纹夜蛾、叶腐病、叶斑病的识别,并将改进后的模型推广应用于基于无人机图像的藕田病虫害检测,实现了病害分布可视化,可对莲藕病虫害的智能化防治提供有益指导。     

空洞卷积结合全局池化的卷积神经网络识别作物幼苗与杂草

针对传统Alex Net模型参数大、特征尺度单一的问题,该文提出一种空洞卷积与全局池化相结合的多尺度特征融合卷积神经网络识别模型。通过对初始卷积层的卷积核进行膨胀,以增大其感受野而不改变参数计算量,并采用全局池化代替传统的全连接层来减少模型的参数。通过设置不同膨胀系数的初始卷积层卷积核与全局池化层类型,以及设置不同Batch Size,得到8种改进模型,用于训练识别共12种农作物幼苗与杂草,并从建立的模型中选出最优模型。改进后的最优模型与传统Alex Net模型相比,仅经过4次训练迭代,就能达到90%以上的识别准确率,平均测试识别准确率达到98.80%,分类成功指数达到96.84%,模型内存需求减少为4.20 MB。实际田间预测野芥与雀麦幼苗的准确率都能达到75%左右,说明该文最优模型对正常情况下的幼苗识别性能较好,但对复杂黑暗背景下的甜菜幼苗准确率为60%,对恶劣背景下的识别性能还有待提升。由于模型使用了更宽的网络结构,增加了特征图的多尺度融合,保持对输入空间变换的不变性,故对正常情况下不同作物幼苗与杂草的识别能力较强。该文改进模型能达到较高的平均识别准确率及分类成功率,可为后续深入探索复杂田间背景下的杂草识别以及杂草与幼苗识别装置的研制打下基础。     

基于改进深度置信网络的大棚冬枣病虫害预测模型

导致冬枣病虫害发生的原因很多而且很复杂,利用传统的数学方法和神经网络(neural network,NN)很难建立正确的病虫害预测模型.由于典型的深度置信网络(deep belief network,DBN)的各层之间缺乏有监督训练,使得网络误差逐层向上传递,降低了预测模型的预测率.针对这些问题,引入冬枣病虫害的先验信息,提出一种基于环境信息和改进DBN的冬枣病虫害预测模型.在该模型中,通过无监督训练和有监督微调从冬枣生长的环境信息序列中获取可表征冬枣病虫害发生的深层特征的隐层参数,并形成新的特征集,然后在预测模型的顶层通过一个后向传播神经网络(back propagation neural network,BPNN)进行病虫害预测.从2014—2017年的4 a时间内,利用农业物联网传感器采集30个大棚冬枣常见的2种虫害和3种病害发生的环境信息序列6000多条,由此验证所提出的预测模型,平均预测正确率高达84.05%.与基于强模糊支持向量机、改进型NN和BPNN的3种病虫害预测模型进行了试验比较,预测正确率提高了20多个百分点.试验结果表明,该模型极大提高了大棚冬枣病虫害的预测正确率.该研究可为大棚冬枣病虫害预测提供技术参考.     

基于卷积神经网络的花生籽粒完整性识别算法及应用

针对现有色选设备在花生颗粒筛选过程中处理速度慢、准确率低的缺点,提出基于卷积神经网络的花生籽粒完整性识别算法。以完好花生、表皮破损花生和果仁破损花生的分类为例,构建花生图像库;搭造卷积神经网络,提取花生图像特征;为提高分类准确率和实时性,从训练集构成、减小过拟合、加快训练收敛速度、简化网络结构等几方面对卷积神经网络进行优化;最终利用含2个卷积层、2个池化层、2个全连接层的3层神经网络实现了上述3类花生的分类。试验结果表明：该方法对花生分类的准确率达到98.18%,平均检测一幅单粒花生图像的时间为18 ms,与现有色选设备相比有效提高了色选设备筛选的准确率和实时性。